模拟应变岩爆的实验方法技术

本发明专利技术提供了一种模拟应变岩爆的实验方法，其包括如下步骤：向一岩样试件的六个面加载三向初始应力，保持20‑30分钟；突然卸载其中一个面的应力；如果岩样试件发生破坏，则实验结束；如果岩样试件未发生破坏，则保载15～30分钟或者将没有卸载的两项应力中的至少一个的应力值匀速提高至一设计值；如果岩样试件发生破坏则实验结束，如果岩样试件未发生破坏，则将步骤S3卸载的应力重新加载至岩样试件，并提高另外两向应力至少其中之一的应力值，以该状态下的三向应力值作为初始应力，重复上述步骤S2‑S5，直到岩样试件发生破坏，其中在每一次重复上述步骤S2‑S5过程中，步骤S5中的设计值均比上一次增加一个应力增量。本发明专利技术能真实地模拟现场的应变岩爆。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及深部矿山工程岩体力学和岩土工程研究领域，特别涉及一种模拟应变岩爆的实验方法。
技术介绍
随着社会经济的极大进步，我国水电、交通隧道、地下国防工程、地下储油库、金属矿山等地下工程因各行各业的需要而迅速发展。越来越多的深埋长大隧道进入施工期，其“长、大、群、深”的特点日趋明显；岩爆日益成为制约地下工程发展的重大地质灾害之一。岩爆是能量岩体沿开挖临空面瞬间释放能量的非线性动力学现象。目前在世界范围内约有20多个国家和地区存在不同程度的岩爆问题。由于发生岩爆的应力复杂，对于岩爆的认识，还不全面；目前在岩爆的研究方面，现场的工作集中在支护防治与微震预报方面，室内的工作则是对现场岩爆现象发生机理进行探讨。在岩爆的室内实验方面，过去还没有形象地在室内再现岩爆全过程。要想能够充分解释岩爆机理，并较准确预测预报岩爆，还要从多方面进行大量的工作。由于很难获得现场岩爆发生时的数据资料，因此如在室内重现岩爆现象，就可以采用多种测试手段对其发生及发展过程进行监测，并根据实验数据分析岩爆成因、岩爆的种类、观察岩爆发生规模大小，这对深入研究岩爆机理及预测防治岩爆有重要的理论价值及工程意义。关于岩爆模拟实验研究，国内外研究工作者做了大量的工作，主要从实验类型对岩爆进行室内岩爆模拟。经历了单轴岩爆实验(单轴压缩实验、单轴动静-组合岩爆实验、单轴动循环加卸载实验、单轴拉伸实验、单轴峰后应力松弛实验)；双轴压缩岩爆实验；三轴岩爆实验(常规三轴卸载实验及真三轴岩爆实验)；相似材料及模型岩爆实验。结合我国煤矿进入深部以后岩爆增加的现象，根据对岩爆发生机理的认识，结合现场工程岩爆现象，将岩爆分为应变岩爆、岩柱岩爆和冲击岩爆。应变岩爆是能量岩体沿着开挖临空面突然释放能量而产生的非线性动力学破坏现象，是直接由应力和应变演化作用的结果。表现为临空面不同部位岩块、岩片弹射等动力破坏现象。应变岩爆可分为瞬时岩爆和滞后岩爆。目前国内外对应变岩爆的室内实验模拟还有很多不足之处，主要表现在缺少精密合理的实验设备和科学的试验方法：现场的应变岩爆是在三向应力状态下由于开挖产生应力转化而发生的，对于巷道表面某一岩体单元，岩爆应力状态可以看作是三向六面应力中单面突然卸载而形成三向五面应力的不平衡力状态。无论是单轴实验、双轴实验、三轴加载岩爆、三轴卸载岩爆实验中缓慢卸围压还是真三轴缓慢卸载，岩爆实验的应力路径都不符合应变岩爆发生的应力转化条件，传统的模拟现场的应变岩爆的实验方法存在应力转化过程不一致的问题。此外，传统的岩爆加载系统中的试件盒装置，相邻压板之间预留有加载间隙，对于某些岩样试件例如软岩，实验过程中岩样试件的变形可能过大，超过压板之间预留间隙，这时压板会产生相互干涉从而影响实验结果的真实性，难以得到岩石力学性质。在所述
技术介绍
部分公开的上述信息仅用于加强对本技术的背景的理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的相关技术的信息。
技术实现思路
本专利技术的目的在于解决现有技术的缺陷，提供一种模拟应变岩爆的实验方法，其能够真实地模拟现场的应变岩爆。本技术的额外方面和优点将部分地在下面的描述中阐述，并且部分地将从描述中变得显然，或者可以通过本技术的实践而习得。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：根据本专利技术的一个方面，一种模拟应变岩爆的实验方法，包括如下步骤：S1、提供一长方体或正方体形状的岩样试件；S2、向所述岩样试件的六个面加载三向初始应力，并保持20-30分钟，模拟岩体受力情况；S3、将作用于所述岩样试件其中一个面的应力突然卸载，使所述岩样试件的其中一个面形成临空面，模拟巷道开挖情况；S4、观察所述岩样试件的状态：如果所述岩样试件发生破坏，则实验结束；如果岩样试件未发生破坏，则保载15～30分钟或者将没有卸载的两项应力中的至少一个的应力值匀速提高至一设计值；S5、观察所述岩样试件的状态：如果所述岩样试件发生破坏则实验结束，如果岩样试件未发生破坏，则将步骤S3卸载的应力重新加载至所述岩样试件，并提高另外两向应力至少其中之一的应力值，以该状态下的三向应力值作为初始应力，重复上述步骤S2-S5，直到所述岩样试件发生破坏，其中在每一次重复上述步骤S2-S5过程中，步骤S5中所述的设计值均比上一次增加一个应力增量。由上述技术方案可知，本专利技术的模拟应变岩爆的实验方法的优点和积极效果在于：本专利技术的模拟应变岩爆的实验方法中，对岩样试件三个方向施加载荷并保载后，突然卸掉其中一个面的应力，使所述岩样试件的其中一个面形成临空面，能够模拟巷道开挖的情况；通过反复循环的加载-卸载应力实验，直到应变岩爆发生，故本专利技术的方法能成功模拟应变岩爆。通过模拟该岩样试件的岩爆灾害现象，并对岩爆过程及现象进行充分分析，有利于较准确地找到对开挖作用敏感的薄弱部位，采取相应措施，从而避免或减少灾害损失。本专利技术中通过以下参照附图对优选实施例的说明，本专利技术的上述以及其它目的、特征和优点将更加明显。附图说明图1是本专利技术模拟应变岩爆的实验方法中所提供的加载装置一实施方式的组装图，其中示出本专利技术试件盒装置一实施方式的结构；图2是图1所示的加载装置的立体分解示意图；图3是图1所示的加载装置中拆除顶部压板后的俯视图；图4是本专利技术模拟应变岩爆的实验方法一实施例的流程图；图5A示出本专利技术模拟应变岩爆的实验方法中向岩样试件加载三向应力的示意图；图5B示出在图5A基础上突然卸载一向应力的示意图；图5C示出在图5B基础上提高其中一向应力水平的示意图；图6示出本专利技术模拟应变岩爆的实验方法在模拟发生瞬时岩爆时的应力变化情况；图7示出本专利技术模拟应变岩爆的实验方法在模拟发生滞后岩爆时的应力变化情况。具体实施方式下面将详细描述本专利技术的具体实施例。应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本专利技术。本专利技术的模拟应变岩爆的实验方法，可选择地，包括提供一试件盒装置步骤，所述试件盒装置用于装载所述岩样试件。下面首先详细介绍该试件盒装置的结构。本专利技术提供的加载装置，除可应用于应变岩爆实验之外，还可应用于岩柱岩爆、冲击岩爆等其他三轴岩爆实验。本专利技术实施例中，X轴方向、Y轴方向和Z轴方向相互垂直，构成三维空间，X轴方向、Z轴方向为水平方向，Y轴方向为竖直方向。如图1、图2和图3所示，本专利技术提供的加载装置一实施方式包括本专利技术试件盒装置、两个第一加压头7、两个第二加压头8以及两个第三加压头9。两个第一加压头7分别与试件盒装置中的位于X方向上的两个压板配合工作；两个第二加压头8分别与试件盒装置中的位于Y方向上的两个压板配合工作；两个第三加压头9分别与试件盒装置中的位于Z方向上的两个压板配合工作。X方向、Y方向、Z方向可以分别对应三维坐标系下的X轴方向、Y轴方向、Z轴方向。其中所述的配合工作通常可以是：加压头在驱动装置的驱动作用下向相应压板施加力的作用，作用于压板上的力可以传递到位于试件盒装置内的岩样试件100上。本专利技术提供的加载装置还包括两个第一减摩结构71、两个第二减摩结构81和两个第三减摩结构91。两个第一减摩结构71分别设置于第一加压头7和与之配合工作的压板之间，用于减小二者之间的摩擦力；两个第二减摩结构81分别设置于第二加压头8和与之配合工作的压板之间，用于减小二者之间的摩擦力；两个第三减摩结构9本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种模拟应变岩爆的实验方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、提供一长方体或正方体形状的岩样试件；S2、向所述岩样试件的六个面加载三向初始应力，并保持20‑30分钟，模拟岩体受力情况；S3、将作用于所述岩样试件其中一个面的应力突然卸载，使所述岩样试件的其中一个面形成临空面，模拟巷道开挖情况；S4、观察所述岩样试件的状态：如果所述岩样试件发生破坏，则实验结束；如果岩样试件未发生破坏，则保载15～30分钟或者将没有卸载的两项应力中的至少一个的应力值匀速提高至一设计值；S5、观察所述岩样试件的状态：如果所述岩样试件发生破坏则实验结束，如果岩样试件未发生破坏，则将步骤S3卸载的应力重新加载至所述岩样试件，并提高另外两向应力至少其中之一的应力值，以该状态下的三向应力值作为初始应力，重复上述步骤S2‑S5，直到所述岩样试件发生破坏，其中在每一次重复上述步骤S2‑S5过程中，步骤S5中所述的设计值均比上一次增加一个应力增量。

【技术特征摘要】
1.一种模拟应变岩爆的实验方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、提供一长方体或正方体形状的岩样试件；S2、向所述岩样试件的六个面加载三向初始应力，并保持20-30分钟，模拟岩体受力情况；S3、将作用于所述岩样试件其中一个面的应力突然卸载，使所述岩样试件的其中一个面形成临空面，模拟巷道开挖情况；S4、观察所述岩样试件的状态：如果所述岩样试件发生破坏，则实验结束；如果岩样试件未发生破坏，则保载15～30分钟或者将没有卸载的两项应力中的至少一个的应力值匀速提高至一设计值；S5、观察所述岩样试件的状态：如果所述岩样试件发生破坏则实验结束，如果岩样试件未发生破坏，则将步骤S3卸载的应力重新加载至所述岩样试件，并提高另外两向应力至少其中之一的应力值，以该状态下的三向应力值作为初始应力，重复上述步骤S2-S5，直到所述岩样试件发生破坏，其中在每一次重复上述步骤S2-S5过程中，步骤S5中所述的设计值均比上一次增加一个应力增量。2.如权利要求1所述的模拟应变岩爆的实验方法，其特征在于，所述S5步骤中，观察所述岩样试件的状态的过程中，如果听到岩样试件传出声音但未观察到岩样试件未破坏，则使岩样试件在所述S4步骤的应力作用下继续保持15-30分钟；再次观察所述岩样试件的状态：如果所述岩样试件发生破坏则实验结束，则将步骤S3卸载的应力重新加载至所述岩样试件，并提高另外两向应力至少其中之一的应力值，以该状态下的三向应力值作为初始应力，重复上述步骤S1-S5，直到所述岩样试件发生破坏。3.如权利要求1所述的模拟应变岩爆的实验方法，其特征在于，所述步骤S1中，岩样试件取自于拟开挖现场处的岩体；所述步骤S2中，三向初始应力应力值为拟开挖现场处的地应力值。4.如权利要求1所述的模拟应变岩爆的实验方法，其特征在于，所述S4步骤中，将没有卸载的两项应力...

【专利技术属性】
技术研发人员：何满潮，刘冬桥，
申请(专利权)人：何满潮，
类型：发明
国别省市：北京;11